專利名稱：：相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種超聲聚焦或定向的方法即控制局部超聲能量密度的聚焦的方法。該方法是通過調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各陣元的激勵(lì)信號(hào)，使超聲波向設(shè)定的圓環(huán)聚焦，并根據(jù)目標(biāo)的大小、位置，設(shè)定和調(diào)整圓環(huán)的位置和直徑的大小，達(dá)到工作焦距(靶區(qū))的精確調(diào)節(jié)控制，提供靶區(qū)所需的超聲能量的相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法。
背景技術(shù)：
：目前，聚焦超聲己普遍應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)加工、探傷，醫(yī)學(xué)診斷、治療等等，高強(qiáng)度聚焦超聲技術(shù)具有穿透深度大、指向性強(qiáng)、聚焦性能好的優(yōu)點(diǎn)，受到普遍關(guān)注。高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分是超聲換能器的聚焦技術(shù)。該技術(shù)包括各種聚焦方式對(duì)比、各種聚焦方式的聲場特性、換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。目前，超聲的聚焦方式有球面自聚焦、超聲透鏡聚焦和相控陣聚焦，分別如圖1、2、3所示，它們的原理、構(gòu)成、優(yōu)、缺點(diǎn)及尚存在問題簡介于下圖1.球面自聚焦是利用球面聚焦換能器直接聚焦，球面自聚焦換能器是將壓電陶瓷片研磨成球冠狀，或由幾十個(gè)甚至幾百個(gè)平面陶片膠合而成一個(gè)球冠狀，其制作工藝和功放電路的性能要求比較高且此換能器一般采用機(jī)械掃描方式，體積較大、電聲效率偏低，焦距不可調(diào)節(jié)；圖2.超聲透鏡聚焦，由超聲通過透鏡材料形成聚焦，透鏡雖然加工容易，但難以找到耐高溫、阻抗匹配、衰減小等性能兼顧的透鏡材料，另外因?yàn)楦邚?qiáng)超聲聚焦時(shí)，透鏡本身吸聲而產(chǎn)生高溫會(huì)使透鏡變形，超聲透鏡的聚焦效果不僅與媒質(zhì)有關(guān)，還與透鏡材料有關(guān)，界面反射及聲透鏡衰減還會(huì)造成聲能量損失，其電聲效率低，焦距不可調(diào)節(jié)；圖3.相控陣聚焦與上兩種聚焦方式不同，超聲源是由單元陣列換能器拼成，如圖所示，相控陣列聚焦是通過控制陣元激勵(lì)信號(hào)的相位，使聲波陣面曲率和中心位置發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)或多點(diǎn)聚焦，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)和掃描。目前所采用的上述超聲聚焦方法，無論是通過機(jī)械還是電子相控聚焦，都是向某一點(diǎn)聚焦，而在實(shí)際工作中存在的缺點(diǎn)是超聲能量聚焦的效果不佳，并且為了達(dá)到焦點(diǎn)區(qū)域的所需能量，在焦點(diǎn)前面的非工作區(qū)域不可避免的也形成一定高能量區(qū)域，這些高能量會(huì)使焦點(diǎn)前區(qū)域受到損壞并使焦點(diǎn)處聲能量受到損失而能效下降，如圖7、8所示，在焦點(diǎn)處獲得最大能量密度相同的條件下，點(diǎn)聚焦在焦點(diǎn)前距陣列70mm斷面上最大能量密度比圓環(huán)狀超聲聚焦法高10%，此聲能量浪費(fèi)于焦點(diǎn)前面的非工作區(qū)域并可對(duì)非工作區(qū)域造成損壞。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提出并公開一種相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法，其激勵(lì)單元陣換能器的聚焦原理如圖4所示，該聚焦方法是利用相位控制的方法控制每個(gè)陣元發(fā)出激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間，使激勵(lì)信號(hào)向設(shè)定位置設(shè)定直徑的圓環(huán)邊緣上均勻聚焦，在圓環(huán)后方利用高強(qiáng)度超聲波非線性傳播特性自聚焦形成焦點(diǎn)區(qū)域的新型聚焦方法。利用該聚焦方法在實(shí)際工作中，根據(jù)工作目標(biāo)的大小、形狀和位置，初步設(shè)定圓環(huán)的位置Rh的大小，再通過圓環(huán)的直徑d的精確設(shè)定和調(diào)整使高強(qiáng)度超聲波形成的實(shí)際聚焦焦點(diǎn)F的位置與工作靶區(qū)的位置一致，使工作靶區(qū)定位更加準(zhǔn)確，減少對(duì)工作目標(biāo)附近非靶區(qū)材料的損害，提高該工作方法的可靠安全性。具體如圖4所示的相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法的相位控制是以O(shè)h點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，按照下列公式(1)、(2)分別計(jì)算Oh點(diǎn)內(nèi)、外區(qū)間陣列各陣元超聲激勵(lì)信號(hào)超前發(fā)射的時(shí)間為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(2)其中/,((^M,，iO—OhM段陣元的超前發(fā)射的時(shí)間；/2(0AM3,iA)—OhO段陣元的超前發(fā)射的時(shí)間；Rh—設(shè)定圓環(huán)位置(圓環(huán)距陣列的距離)；C一聲速；D—陣元分布圓面直徑；d—圓環(huán)直徑；Fh—圓環(huán)上的焦點(diǎn)；M,M2、M3M4—分別為OhM段和OhO段陣列各陣元到圓環(huán)上焦點(diǎn)Fh的距離與Rh的差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推出本發(fā)明相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法形成實(shí)際焦距的近似計(jì)算公式(3)為J<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(單位wm)(3)其中Rr實(shí)際形成焦距即實(shí)際焦點(diǎn)位置；d—圓環(huán)直徑；Rh—設(shè)定圓環(huán)位置(圓環(huán)距陣列的距離)。以下是高強(qiáng)度超聲波在不同的設(shè)定圓環(huán)位置Rh、圓環(huán)直徑d下所實(shí)際形成焦距Rf、近似計(jì)算公式(3)計(jì)算的焦點(diǎn)位置和二者誤差如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由上表看出，利用近似公式計(jì)算的焦點(diǎn)位置非常接近實(shí)際形成焦距，最大的差值為士1.37mm。根據(jù)上述相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦原理，本發(fā)明相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法包括有以下階段SI:根據(jù)測量確定目標(biāo)位置及大小的階段；S2:按照目標(biāo)邊緣距超聲換能器陣列的距離設(shè)定圓環(huán)位置Rh的階段；S3:根據(jù)工作目標(biāo)的大小及計(jì)劃工作位置確定實(shí)際焦點(diǎn)位置(工作位置)Rf并由公式(3)即R產(chǎn)Rh+2d+6.0(mm)推算圓環(huán)直徑d的階段；S4:精確調(diào)節(jié)控制工作位置(工作焦距)的階段；S5:根據(jù)公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圓環(huán)狀超聲聚焦的階段。其精確調(diào)節(jié)控制工作位置(工作焦距)的階段是對(duì)公式(3)即R尸Rh+2d+6.0(mm)中的設(shè)定圓環(huán)位置Rh進(jìn)行粗調(diào)節(jié)，對(duì)其中的圓環(huán)直徑d進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)以精確調(diào)控工作位置Rf的階段。其根據(jù)公式(1)、(2)精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圓環(huán)狀超聲聚焦的階段是在設(shè)定圓環(huán)位置Rh、超聲換能器陣元分布圓面直徑D、圓環(huán)直徑d確定的情況下以<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>二式分為內(nèi)、外區(qū)間精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間的階段。優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明與現(xiàn)有其它聚焦方法相比其優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明除具有相控點(diǎn)聚焦具有的一點(diǎn)或多點(diǎn)聚焦、焦距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有比相控點(diǎn)聚集提高聚焦效率、分散非靶區(qū)超聲能量的優(yōu)點(diǎn)。如圖5、6所示，在超聲換能器陣列陣元相同條件下，圓環(huán)狀超聲聚集方法在焦點(diǎn)處獲得的最大能量密度比相控點(diǎn)聚焦法高大約30%，但焦點(diǎn)前的非靶區(qū)域的最大能量密度相同；如果在焦點(diǎn)處獲得的最大能量密度相同的條件下，圓環(huán)狀超聲聚集方法在焦點(diǎn)前的斷面上的最大能量密度比點(diǎn)聚焦下降大約10%(如圖7、8對(duì)比看出)2.可以對(duì)目標(biāo)選擇性定位，避免焦點(diǎn)偏移。3.聚焦不是向某一點(diǎn)聚，而是通過向一個(gè)圓環(huán)聚焦形成焦點(diǎn)域，在同樣激勵(lì)下，形成焦點(diǎn)域能量大于點(diǎn)聚焦時(shí)所獲得的能量，且在聚焦過程中超聲能量均勻分布，使非靶區(qū)物體所受超聲能量減少，從而避免了工作過程中非工作靶區(qū)目標(biāo)的損壞和超聲能量的損失。4.本發(fā)明相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法可通過控制圓環(huán)的位置對(duì)聚焦進(jìn)行粗調(diào)節(jié)，通過圓環(huán)直徑控制進(jìn)行微調(diào)節(jié)，因此使焦距、焦域控制更精確。5.圓環(huán)狀聚焦與點(diǎn)聚焦形成的焦點(diǎn)區(qū)域的大小、形狀相同，靶區(qū)前超聲能量的分散分布對(duì)焦點(diǎn)的形成沒有不良影響(如圖9、IO對(duì)比看出)。圖1為球面自聚焦示意圖；圖2為聲透鏡聚焦示意圖3為相控陣元點(diǎn)聚焦示意圖4為相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦示意圖5、6為圓環(huán)狀超聲聚焦、點(diǎn)聚焦在焦點(diǎn)前距陣列70mm處斷面最大能量密度相同條件下(圖5所示)二者在焦點(diǎn)斷面最大能量密度對(duì)比圖(圖6所示)；圖7、8為圓環(huán)狀超聲聚焦、點(diǎn)聚焦在焦點(diǎn)最大能量密度相同條件下(如圖8所示)其焦點(diǎn)前距陣列70mm處斷面最大能量密度對(duì)比圖(如圖7示)；圖9、IO為點(diǎn)聚焦、圓環(huán)狀超聲聚焦焦區(qū)及其附近聲壓分布圖；圖11為相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法流程圖；各圖中主要標(biāo)號(hào)明細(xì)Rf-實(shí)際形成焦距、實(shí)際焦點(diǎn)位置、工作位置.d-圓環(huán)直徑Rh-圓環(huán)距陣列的距離、設(shè)定圓環(huán)位置C-聲速D-陣元分布圓面直徑SI-S5-程序標(biāo)號(hào)具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容、技術(shù)特征及功效，再舉以下實(shí)例并結(jié)合于下如圖11所示的本發(fā)明相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法包括有以下階段Sh根據(jù)測量確定目標(biāo)位置及大小的階段；S2:按照目標(biāo)邊緣距超聲換能器陣列的距離設(shè)定圓環(huán)位置Rh的階段；S3:根據(jù)工作目標(biāo)的大小及計(jì)劃工作位置確定實(shí)際焦點(diǎn)位置(工作位置)Rf并由公式(3)即R產(chǎn)Rh+2d+6.0(mm)推算圓環(huán)直徑d的階段；S4:精確調(diào)節(jié)控制工作位置的階段；S5:根據(jù)公式(1)、(2)即/<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圓環(huán)狀聚焦的階段。其精確調(diào)節(jié)控制工作位置的階段是對(duì)公式(3)即R產(chǎn)Rh+2d+6.0(mm)中的設(shè)定圓環(huán)位置Rh進(jìn)行粗調(diào)節(jié)，對(duì)其中的圓環(huán)直徑d實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)節(jié)以調(diào)控工作位置Rf的階段。其根據(jù)公式(1)、(2)精確計(jì)算換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圓環(huán)聚焦的階段是在設(shè)定圓環(huán)位置Rh、陣元分布圓面直徑D、圓環(huán)直徑d確定的情況下以<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>二式分為內(nèi)、外區(qū)間精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間的階段。權(quán)利要求1.一種相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法包括有以下階段S1根據(jù)測量確定目標(biāo)位置及大小的階段；S2按照目標(biāo)邊緣距超聲換能器陣列的距離設(shè)定圓環(huán)位置Rh的階段；S3根據(jù)工作目標(biāo)的大小及計(jì)劃工作位置確定實(shí)際焦點(diǎn)位置Rf并由公式(3)即Rf＝Rh+2d+6.0(mm)推算圓環(huán)直徑d的階段；S4精確調(diào)節(jié)控制工作位置的階段；S5根據(jù)公式(1)、(2)即<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>M</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msup><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msup><msub><mi>F</mi><mi>h</mi></msub><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>-</mo><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msup><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>-</mo><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>,</mo><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>≤</mo><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mo>-</mo><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>M</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msup><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msup><msub><mi>F</mi><mi>h</mi></msub><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>-</mo><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msup><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>-</mo><msub><mi>R</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>,</mo><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>≤</mo><msub><mi>O</mi><mi>h</mi></msub><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><mo>≤</mo><mfrac><mi>d</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圓環(huán)狀超聲聚焦的階段。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法，其特征是其精確調(diào)節(jié)控制工作位置的階段是對(duì)公式(3)即R尸Rh+2d+6.0(mm)中的設(shè)定圓環(huán)位置Rh進(jìn)行粗調(diào)節(jié)，對(duì)其中的圓環(huán)直徑d進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)以精確控制工作位置Rf的階段。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法，其特征是其根據(jù)公式(1)、(2)精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圓環(huán)狀超聲聚焦的階段是在設(shè)定圓環(huán)位置Rh、陣元分布圓面直徑D、圓環(huán)直徑d確定的情況下以<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(2)二式分為內(nèi)、外區(qū)間精確計(jì)算超聲換能器各分布位置上陣元的超前發(fā)射時(shí)間的階段。全文摘要本發(fā)明涉及一種超聲聚焦或定向的方法，特別是控制局部超聲能量密度的相位控制圓環(huán)狀超聲聚焦方法，解決現(xiàn)有超聲能量聚焦不佳的問題。它包括有S1根據(jù)測量確定目標(biāo)位置及大小的階段；S2按照目標(biāo)邊緣距超聲換能器陣列的距離設(shè)定圓環(huán)的位置R<sub>h</sub>的階段；S3根據(jù)目標(biāo)的大小及確定的工作位置確定實(shí)際焦點(diǎn)位置R<sub>f</sub>并由公式(3)精確推算圓環(huán)直徑d的階段；S4精確調(diào)節(jié)控制工作位置的階段；S5根據(jù)公式(1)、(2)精確計(jì)算各分布位置上陣元的超前發(fā)射的時(shí)間，激發(fā)各個(gè)陣元實(shí)現(xiàn)圓環(huán)狀聚焦的階段。本發(fā)明可提高超聲能量向焦點(diǎn)區(qū)域(工作靶區(qū))聚焦的效果，提高工作靶區(qū)超聲能量密度同時(shí)可降低非工作靶區(qū)的超聲能量密度。文檔編號(hào)B06B3/04GK101306419SQ20071005736公開日2008年11月19日申請(qǐng)日期2007年5月18日優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日發(fā)明者劉東順,菅喜岐申請(qǐng)人:天津醫(yī)科大學(xué)